1、飞机结构设计,飞机构造概要,飞行器结构是飞行器各受力部件和支撑构件的总称。,1.空气动力要求,2.质量和强度、刚度要求,3.使用维护要求,4.工艺性和经济性要求,飞机构造概要,对飞行器结构的一般要求:,飞行器结构所采用的主要材料,比强度=抗拉强度/密度,比刚度=弹性模量/密度,飞机构造概要,复合材料概念复合材料是由两种或多种不同性质的材料用物理或化学方法制成的具有新性能的材料。Composite 复合材料特点：1、两种以上材料2、宏观尺度上的组合3、具有各组分最好的性能 可能改善的性能：刚度、强度、耐腐蚀、耐磨、 疲劳、隔热、隔音等,先进复合材料,复合材料的发展历程 最原始的人造复合材料是在粘
2、土泥浆中掺稻草，制成土砖；古代宝剑是用复合浇铸技术得到的包层金属复合材料；近代，复合材料最早的有玻璃纤维增强树脂（如酚醛树脂、环氧树脂等）玻璃钢。随着航空、航天、化工等现代工业的发展，对材料的轻质、高强、高模、高韧性、耐高温、耐磨、耐腐蚀等提出了更高要求，使现代先进复合材料蓬勃发展起来以高性能纤维为代表的各种先进复合材料得到了广泛的应用。FRP(Fiber Reinforced Material),先进复合材料,复合材料种类按应用性质分为：功能复合材料 具有特殊功能：导电、烧蚀、摩阻复合材料；结构复合材料 由基体材料和增强材料组成；本课程主要研究结构复合材料。复合材料包括两大要素：增强材料、基
3、体材料 按增强材料形状不同，可分为颗粒、层合、纤维增强； 按照基体材料的不同，复合材料包括聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等常用树脂： 1、热固性聚合物 2、热塑性聚合物,先进复合材料,先进复合材料,颗粒复合材料由悬浮在一种基体材料内的一种或多种颗粒材料组成，颗粒可以是金属也可以是非金属。（混凝土；火箭推进剂；金属陶瓷）层合复合材料至少由两层不同材料复合而成，其增强性能有强度、刚度、耐腐蚀、耐磨损。（双金属片；涂复金属；夹层玻璃） 纤维增强复合材料 长纤维较块状同样材料强度高得多按纤维种类分为：玻璃纤维、硼纤维、碳纤维、芳纶纤维；按基体材料分为：树脂基体、金属基体、陶瓷基体和碳
4、基体；按纤维形状分为：连续纤维、短纤维、纤维布增强复合材料;,几种常用纤维玻璃纤维(G)：E、S，强度高，延伸率大，模量低碳纤维(C)：强度、模量较高，密度低芳纶纤维(K)：强度高、模量适中，冲击性能好G、C、K纤维均可制成织物，包括二维和三维织物硼纤维(Be)：强度、模量较高，较粗，不易制成织物，成本高 碳化硅纤维及氧化铝纤维：陶瓷纤维，用于耐高温、耐腐蚀,先进复合材料,先进复合材料,各种纤维增强体-二维织物,二维织物,先进复合材料,二维织物,先进复合材料,先进复合材料-三维织物,先进复合材料-三维织物,先进复合材料,几种常用基体1、 树脂基体,先进复合材料,2、 金属基体主要用于耐高温或其
5、它特殊场合，具有耐300C以上的高温，表面抗腐蚀，导热导电等优点。基体材料有铝、铝合金、镍、钛合金、镁、铜等。目前铝应用的较多。3、 陶瓷基体耐高温、化学稳定性好，具有高模量和高抗压强度，其脆性高，耐冲击性差。4、 碳素基体主要用于碳纤维增强碳基体复合材料，又称为碳/碳复合材料。以纤维和基体不同有三种：碳纤维增强碳；石墨纤维增强碳；石墨纤维增强石墨；,4.1 飞机构造概要,1、复合材料航空应用,4.1 飞机构造概要,B787,1、复合材料航空应用,4.1 飞机构造概要,4.1 飞机构造概要,ARJ21飞机的复合材料应用,4.1 复合材料应用,2、船舶工业潜艇、扫雷艇、游船、渔船、赛艇、深潜器，
6、用量巨大，如甲板、外壳等 3、兵器工业坦克内层、防弹背心、弹壳、头盔等 4、化学工业贮罐、管道等 5、医疗领域假肢、人造骨骼、关节 6、机械工程风力发电机叶片，模具,4.1 复合材料应用,7、建筑工业大型采光屋顶、落水管、 下水道、水箱、木结构房屋、 公路桥梁。FRP补强、FRP筋混凝土,4.1 复合材料应用,8、车辆制造 火车：车身、门窗、座椅 汽车：车身、车顶、保险 杠、引擎盖、方向盘、板簧 驱动轴、刹车片 自行车：车架、轮圈,飞机构造组成,4.2 机翼,4.3 尾翼,4.4 机身,4.5 操纵面,4.6 起落架,4.2 飞机构造,飞机构造组成,4.2 飞机构造,飞机构造组成,4.2 飞机
7、构造,飞机构造组成,4.2 飞机构造,F-22,4.2 飞机机翼,4.2.1 机翼的基本结构元件,4.2.2 机翼的构造形式,4.2.1 机翼的基本结构元件,机翼是飞机最主要的部件之一，其主要功用是产生升力。,装置油箱和设备 安装增升装置和副翼 固定起落架和发动机,4.2.1 机翼的基本结构元件,作用于机翼的外载荷,4.2.1 机翼的基本结构元件,机翼的主要承力结构,翼梁,翼梁是最强有力的纵向构件，承受全部或大部分的弯矩和剪力。翼梁由缘条、腹板和支柱等组成，剖面多为工字型。翼梁固支在机身上。,翼梁,翼梁一般为1根或者2根，分别称为单梁和双梁等。,纵墙与翼梁的区别在于其缘条很弱，或者没有凸缘。
8、通常不与机身相连；后橼纵墙用来连接襟翼及副翼,纵墙,纵墙承受弯矩和扭矩产生的剪力。 其中，由于其通常布置在机翼的前后缘处，与机翼的上下蒙皮相连，形成封闭的盒段以承受扭矩产生的剪力。,纵墙,桁条,用铝合金型材或板弯件制成，铆接在蒙皮内表面,承受局部空气载荷，并支持和加强蒙皮, 将气动载荷传给翼肋 。,翼肋,将纵向骨架与蒙皮连成一体；形成并维持翼剖面之形状；把由蒙皮和桁条传来的空气动力载荷传递给翼梁。 如果是加强翼肋，则还要承受和传递集中载荷。,蒙皮,蒙皮通常用硬铝板材制成，用铆钉或粘接剂固定于纵横向骨架上，形成光滑的表面, 从而维持气动外形。 空气动力直接作用在蒙皮上。,根据蒙皮种类不同，参与受
9、力情况各异。,接头,接头的功用是将载荷从一个构件传递到另一个构件。,机翼的构造形式随着飞机速度的增加而改变。在机翼构造形式的发展过程中，最主要的变化是维形构件和受力构件逐渐合并。 机翼的主要构造形式有：,4.2.2 机翼的构造形式,构架式机翼(蒙皮不受力结构 ),构架式机翼主要用于飞机发展的初期，其结构特点是受力件与维形件完全分工。 构架式机翼的受力骨架是由翼梁、张线、横支柱（或翼肋）等组成的空间桁架系统；其蒙皮是用亚麻布制成，只起维形作用。,构架式机翼(蒙皮不受力结构 ),构架式机翼(蒙皮不受力结构 ),又称薄壁构造机翼，梁式机翼的特点是布置有强有力的翼梁、较少且较弱的桁条并采用较薄的硬质蒙
10、皮，常用金属铆接结构。,梁式机翼,按翼梁数目不同可分为单梁式、双梁式和多梁式。 承力特点-弯矩主要由翼梁来承受。,梁式机翼,薄蒙皮双梁结构,薄蒙皮单梁结构,梁式机翼,单块式机翼,单块式机翼的特点是蒙皮较厚，桁条较多也较强，翼梁的缘条很弱，甚至没有翼梁而只有纵樯。 单块式机翼的维形构件和受力构件已经完全合并，亦为现代飞机所广泛采用。,整体壁板机翼,整体壁板式机翼将蒙皮和纵、横向骨架合并成上下两块整体壁板，之后用铆接或螺栓连接。 这种机翼强度大，刚性好；表面光滑，气动外形好；零件数目少，装配容易。,尾翼的主要功用是保证飞机的纵向和方向的平衡，并使飞机在纵向和方向上具有必要的稳定性和操纵性。,4.3
11、 尾翼,一般，尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼。前者由固定的水平安定面和活动的升降舵组成，后者则由固定的垂直安定面和活动的方向舵组成。,4.3 尾翼,尾翼的构造基本上与机翼的构造相似，也由纵、横向骨架和蒙皮、接头组成。小型飞机的安定面多采用梁式构造，大型飞机的安定面一般都采用多纵墙的单块式构造。,4.3 尾翼,4.4 机身,4.4.1 机身的构造形式,4.4.2 大型民用客机机身舱位,民用飞机机身的主要功用：,装载乘员和货物； 安置各种系统设备； 连接机翼和尾翼等部件； 有的还固定动力装置和起落架。,4.4 机身,机身的构造形式也是随着飞机速度的增加而改变的，也是维形构件逐渐与受力构件合并。 机身的
12、主要构造形式有：,构架式机身 桁梁式机身 桁条式机身 大型民用客机的机身结构,4.4.1 机身的构造形式,构架式机身,构架式机身由受力空间桁架系统和不参与总体受力的蒙皮构成。,桁梁式机身,主要由桁梁、桁条、隔框（普通框、加强框）、蒙皮构成。桁梁是承受弯矩的主要构件。特点：有剖面较大的桁 梁、桁条较少且较弱、 蒙皮较薄，便于开口。,桁条式机身,主要由桁条、隔框（普通框、加强框）、蒙皮构成。特点：没有桁梁，桁条较多也较强，蒙皮较厚。由桁条和蒙皮共同承受弯矩。,硬壳式机身,蒙皮很厚，没有桁梁或桁条，整个结构仅由蒙皮和隔框构成。,大型民用客机的机身结构,大型民用客机的机身结构大多是以桁条式为基础，增加
13、承载能力很强的地板结构。 地板结构一般包括隔框、地板横梁、纵梁（龙骨梁）以及地板块。机身空间因此被地板分为上、下两部分。,横梁,大型民用客机的机身结构,大型民用客机机身舱位,大型民用客机机身一般分为：,4.5.1 主操纵面,4.5.2 辅助操纵面,4.5 操纵面,4.5.1 主操纵面,操纵面亦称舵面。 通常，飞机具有三个主操纵面，即升降舵、方向舵和副翼。通过操纵这三个主操纵面的偏转，就可以实现对飞机的俯仰、方向和横侧姿态的控制。,4.5.1 主操纵面,4.5.1 主操纵面,主操纵面的构造通常为由梁、肋、蒙皮、接头以及后缘型材组成的无桁条单梁式。,辅助操纵面的作用主要是为了改善飞机的某一方面的性
14、能。 现代飞机上的辅助操纵面主要包括：,增升装置减速板,4.5.2 辅助操纵面,4.5.2 辅助操纵面,目前所使用的增升装置的种类主要有：,增升装置的主要种类,襟翼 前缘缝翼 前缘襟翼,4.5.2 辅助操纵面,减速板,减速板是对称地布置在机身和或机翼上的阻力板，平时紧贴于机身或机翼以保持表面流场，使用时打开以增加阻力，从而降低飞机的飞行或地面滑跑速度。,4.6.1 起落架的功用及其组成,4.6.2 起落架的型式,4.6 起落架,4.6.3 起落架的附设装置与机构,起落架是供飞机在起降滑跑、地面滑行、停放和移动时支持飞机重量、承受相应载荷、吸收和消耗着陆时的撞击能量的装置。 受力大部件，工作可靠
15、性要求高。,起落架,4.6.1 起落架的功用及组成,4.6.1 起落架的功用及组成,起落架的主要组成,通常起落架由承力结构(支柱等)、带充气轮胎的机轮、减震器、刹车及转弯操纵机构、收放机构等装置组成。,对于在雪地和冰面上起降的飞机，起落架的机轮用滑橇取代之；在水面上起降的水上飞机，起落架则用浮筒代替或直接采用按水面滑行要求设计的特殊机身。,4.6.1 起落架的功用及组成,起落架的主要组成,4.6.2 起落架型式,4.6.2.1 起落架的配置型式,4.6.2.2 起落架的收放型式,4.6.2.4 滑行装置的型式,4.6.2.3 起落架的构造型式,起落架的配置型式指的是飞机在地面上支持点的数目及其
16、相对于机身重心的位置。 常见的配置型式有：,后三点式起落架 前三点式起落架 多支柱式起落架 自行车式起落架,4.6.2.1 起落架配置型式,后三点式起落架(1),后三点式起落架的两个(组)主轮位于飞机重心之前且靠近重心，尾轮则位于飞机的尾部。 后三点式起落架主要适用于机身前部装有活塞式发动机的轻型、低速飞机上。,后三点式起落架(2),主要特点：,安装空间容易保证； 尾轮受力较小，因而结构简单，重量较小； 地面滑跑时迎角较大，降落时阻力较大；对着陆技术要求高，容易发生“跳跃”现象； 大速度滑跑时，不允许强烈制动； 地面滑跑时的方向稳定性较差； 驾驶员视界不佳。,前三点式起落架(1),前三点式起落
17、架的两个(组)主轮位于飞机重心之后，前轮则位于飞机的头部。 前三点式起落架是现代飞机应用最广泛起落架配置型式。,主要特点：,着陆简单且安全可靠； 具有良好的方向稳定性；侧风着陆较安全； 允许强烈制动，着陆滑跑距离较短； 驾驶员视界较好，发动机喷气对跑道影响较小。前起落架受力较大且构造复杂； 高速滑跑时，前起落架会产生摆震现象；,前三点式起落架(2),多支柱式起落架,多支柱式起落架与前三点式起落架类似，飞机的重心在主起落架之前，但不同的是其有多个主起落架支柱，一般用于重型飞机上。 显然，采用多支柱、多机轮可以减小起落架对跑道的压力，增加起飞着陆的安全性。,波音747,自行车式起落架(1),自行车
18、式起落架的两个(主)主轮纵向排列在飞机重心的前后，且在两侧机翼下设置辅助轮。 自行车式起落架主要用于因机翼很薄而难于收藏起落架的飞机，特别是采用上单翼的轰炸机上。,自行车式起落架(2),自行车式起落架前支柱承受的载荷很大，这一方面使前起落架的尺寸和重量增大，另一方面使得飞机起飞时不易抬头。为了使飞机能达到起飞迎角，需要依靠专门的措施。,起落架的收放型式有两种：,沿翼展方向收放 沿翼弦方向收放,4.6.2.2 起落架收放型式,起落架沿翼展方向收放,起落架沿翼展方向收放可向翼根或向翼尖收放。 由于翼根较厚，内部空间较大，所以起落架一般多采用向翼根收放的型式，将起落架收入翼根或机身。,起落架沿翼弦方
19、向收放,有的飞机的起落架是沿翼弦方向收放的，特别是在双或多发动机的飞机上，当发动机短舱容积较大时，常将起落架沿翼弦方向向前或向后收入发动机短舱内。,起落架的构造型式主要有：,构架式起落架 支撑式起落架 摇臂式起落架,4.6.2.3 起落架构造型式,构架式起落架,构架式起落架主要用于轻型低速飞机，一般为固定而不收放的。 构架式起落架通过受力构架将机轮连接到机翼或机身上；受力构架中的杆件和减震支柱互相铰接。 构架式起落架结构简单，但难以收放。,支撑式起落架(1),支撑式起落架的受力支柱本身就是减震器；机轮直接连接于支柱下端；支柱上端则固定在机体骨架上.,支撑式起落架构造简单紧凑，重量较小，且易于收
20、放， 在现代飞机，尤其是民用飞机上得到了广泛采用。,支撑式起落架(2),支撑式起落架的缺点是：当受到来自正面的水平撞击时，减震支柱不能很好地起减震作用.另外，减震支柱的密封装置容易磨损及可能出现卡滞现象。,支撑式起落架(3),摇臂式起落架(1),摇臂式起落架的机轮通过可转动的摇臂与减震器的活塞杆相连。,摇臂式起落架(2),摇臂式起落架的减震支柱只承受轴向力，因而密封性能好，另外吸收来自正面的水平撞击的性能也好，故在高速飞机上得到了广泛的应用。,摇臂式起落架的缺点是构造复杂，重量较大，接头较多且受力较大，因此它在使用过程中的磨损亦较大。,飞机的滑行装置因在陆地或在水面的起降场地的不同而存在很大的
21、差异。,陆上飞机的滑行装置 水上飞机的滑行装置,4.6.2.4 滑行装置型式,陆上飞机的滑行装置,陆上飞机根据其是在地面上还是在冰(雪)面或草地上起降，滑行装置主要有两种，即：,轮式滑行装置 滑橇式滑行装置,轮式滑行装置(1),陆上飞机在地面滑行一般都采用轮式滑行装置，不同类型的飞机分别采用单轮式、双轮式或多轮式。 大型旅客机的前起落架一般为双轮式，主起落架则为双轮式或多轮小车式。,机轮是轮式滑行装置的主要部分，由轮毂和轮胎组成。 轮胎若按充气压力可分为低压轮胎、中压轮胎、高压轮胎和超高压轮胎。 轮胎若按构造又可分为有内胎轮胎和无内胎轮胎两种。 目前，大型民用客机使用的多为无内胎的中压轮胎。,轮式滑行装置(2),滑橇式滑行装置,采用滑橇式滑行装置的飞机的起降场地一般为冰雪覆盖的机场，或为松软的土质跑道和草地。,水上飞机的滑行装置,水上飞机在水面起降，其滑行装置也有两种型式船身式和浮筒式。,水上飞机的滑行装置,
